ES2992537B2 - Triboelectric portable floor - Google Patents
Triboelectric portable floorInfo
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Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Suelo portátil triboeléctrico Triboelectric portable floor
Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un suelo portátil triboeléctrico, de carácter modular, que permite aprovechar la energía procedente de las pisadas y la fricción para producir electricidad. La electricidad generada mediante el suelo portátil triboeléctrico puede ser utilizada en una pluralidad de aplicaciones. The present invention relates to a modular, triboelectric portable floor that harnesses the energy generated by footsteps and friction to generate electricity. The electricity generated by the triboelectric portable floor can be used in a variety of applications.
Mediante la presente invención, se permite, por ejemplo, generar una señal de alarma cuando se detectan pisadas sobre el suelo. Asimismo, mediante el suelo portátil triboeléctrico objeto de la invención se puede obtener energía eléctrica que puede ser almacenada en baterías para su aprovechamiento posterior, por ejemplo, para la carga de dispositivos electrónicos. The present invention makes it possible, for example, to generate an alarm signal when footsteps are detected on the floor. Furthermore, the triboelectric portable floor object of the invention can generate electrical energy that can be stored in batteries for later use, for example, to charge electronic devices.
El suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, es de especial aplicación en la industria de los dispositivos de generación de energía eléctrica mediante fuentes renovables. The triboelectric portable floor, object of the present invention, is of special application in the industry of devices for generating electrical energy using renewable sources.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver Background of the invention and technical problem to be solved
Hoy en día, se están desarrollando una gran cantidad dispositivos autopropulsados y recolectores de energía para convertir la energía ambiental disponible en energía eléctrica para satisfacer la creciente demanda mundial de energía más limpia y sostenible. Today, a large number of self-propelled and energy-harvesting devices are being developed to convert available ambient energy into electrical power to meet the growing global demand for cleaner and more sustainable energy.
Para la conversión de energía mecánica en energía eléctrica se han estudiado diversidad de técnicas. Los generadores electromagnéticos (EMGs) fueron el enfoque convencional para generar electricidad. También se han desarrollado otras tecnologías como las basadas en el efecto piezoeléctrico o en la inducción electromagnética. Sin embargo, estas tecnologías requieren estructuras complicadas y operan bajo estímulos de alta frecuencia con una baja eficiencia de transducción y una baja salida de voltaje en el dominio de baja frecuencia, lo que limita sus posibles aplicaciones. A variety of techniques have been studied to convert mechanical energy into electrical energy. Electromagnetic generators (EMGs) were the conventional approach to generating electricity. Other technologies, such as those based on the piezoelectric effect or electromagnetic induction, have also been developed. However, these technologies require complicated structures and operate under high-frequency stimuli with low transduction efficiency and low voltage output in the low-frequency domain, which limits their potential applications.
Los nanogeneradores triboeléctricos (TENGs) tienen la capacidad de superar estas limitaciones y, por lo tanto, han atraído la atención de investigadores de todo el mundo para generar energía mecánica de baja frecuencia como viento, vibraciones, ondas de agua, movimiento de vehículos o del cuerpo humano, etc. Son una tecnología innovadora en las áreas de recolección de energía y nanoenergía y nanosistemas (NENS). Los nanogeneradores triboeléctricos fueron inventados por primera vez en 2012 por el equipo de Zhong Lin Wang y pueden convertir de manera muy efectiva diversas formas de energía mecánica ambiental en energía eléctrica siguiendo los principios de los efectos de acoplamiento de la inducción electrostática y la electrificación por contacto. Triboelectric nanogenerators (TENGs) have the ability to overcome these limitations and have therefore attracted the attention of researchers worldwide to generate low-frequency mechanical energy such as wind, vibration, water waves, vehicle or human body motion, etc. They are an innovative technology in the areas of energy harvesting and nanoenergy and nanosystems (NENS). Triboelectric nanogenerators were first invented in 2012 by Zhong Lin Wang's team and can very effectively convert various forms of ambient mechanical energy into electrical energy following the principles of electrostatic induction coupling effects and contact electrification.
Para el aprovechamiento de energía mecánica de las pisadas o de movimientos similares existen diversos diseños de TENGs: bien mediante una mochila asida a la espalda, bien insertados en las plantillas o en la suela de los zapatos según distintas configuraciones o bien mediante suelos o plataformas. En los estudios de dichos diseños se implementan respectivamente distintos métodos para aumentar la superficie de contacto y, en consecuencia, la energía eléctrica producida. Various TENG designs exist to harness the mechanical energy of footsteps or similar movements: either carried in backpacks attached to the back, inserted into insoles or the soles of shoes in various configurations, or installed on floors or platforms. Studies of these designs implement various methods to increase the contact surface and, consequently, the electrical energy produced.
Los suelos basados en el efecto triboeléctrico poseen la ventaja de ser independientes de un diseño individualizado, pudiendo implementarse para generar energía en un número mucho mayor de contextos y a partir de un número mucho mayor de personas. Triboelectric-based floors have the advantage of being independent of individual design, and can be used to generate energy in a much larger number of settings and by a much larger number of people.
Las publicaciones previas (la gran mayoría publicadas por Zhong Lin Wang y colaboradores) referidas a suelos basados en el efecto triboeléctrico se basan en la generación de electricidad mediante TENGs durante su fase de uso. Están regidos por uno solo de sus siguientes modos de funcionamiento: por contacto-separación o por deslizamiento lateral de sus capas triboeléctricas. La mayoría están referidos a suelos que aprovechan la fricción de la suela de goma de los zapatos con su capa de recubrimiento superior. Previous publications (the vast majority published by Zhong Lin Wang and colleagues) referring to floors based on the triboelectric effect are based on the generation of electricity by TENGs during their use phase. They are governed by only one of the following operating modes: contact-separation or lateral sliding of their triboelectric layers. Most refer to floors that take advantage of the friction of the rubber sole of shoes with their top layer.
Descripción de la invención Description of the invention
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un suelo portátil triboeléctrico. In order to overcome the aforementioned drawbacks, the present invention relates to a triboelectric portable floor.
El suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, comprende al menos un módulo de suelo, el cual a su vez comprende: The triboelectric portable floor, object of the present invention, comprises at least one floor module, which in turn comprises:
<o>una primera cubierta configurada para disponerse, en uso, en contacto con un suelo o firme; <o>a first cover configured to be arranged, in use, in contact with a ground or surface;
<o>una segunda cubierta configurada para servir, en uso, de superficie de contacto con cualquier objeto, animal o persona situada sobre el suelo portátil triboeléctrico; <o>a second cover configured to serve, in use, as a contact surface with any object, animal or person located on the triboelectric portable floor;
<o>un sustrato principal dispuesto entre la primera cubierta y la segunda cubierta, donde el sustrato principal comprende una pluralidad de primeras láminas flexibles, donde cada primera lámina flexible está en contacto con la primera cubierta y con la segunda cubierta, donde cada primera lámina flexible comprende una pluralidad de pliegues sobre sí misma formando una geometría de acordeón y definiendo una pluralidad de primeros canales entre los pliegues de cada primera lámina flexible, de manera que cada primer canal está dispuesto entre dos porciones de cada primera lámina flexible, donde los primeros canales están dirigidos desde un primer lado hacia un segundo lado del módulo de suelo; <o>a main substrate arranged between the first cover and the second cover, the main substrate comprising a plurality of first flexible sheets, each first flexible sheet being in contact with the first cover and the second cover, each first flexible sheet comprising a plurality of folds upon itself forming an accordion geometry and defining a plurality of first channels between the folds of each first flexible sheet, each first channel being arranged between two portions of each first flexible sheet, the first channels being directed from a first side towards a second side of the floor module;
<o>un primer sustrato lateral dispuesto en correspondencia con el primer lado del módulo de suelo, donde el primer sustrato lateral está dispuesto en una dirección transversal a los primeros canales del sustrato principal, donde el primer sustrato lateral comprende una segunda lámina flexible, donde la segunda lámina flexible está en contacto con la primera cubierta, donde la segunda lámina flexible comprende una pluralidad de pliegues sobre sí misma formando una geometría de acordeón y definiendo una pluralidad de segundos canales entre los pliegues de la segunda lámina flexible, de manera que cada segundo canal está dispuesto entre dos porciones de la segunda lámina flexible; <o>a first side substrate arranged in correspondence with the first side of the floor module, where the first side substrate is arranged in a direction transverse to the first channels of the main substrate, where the first side substrate comprises a second flexible sheet, where the second flexible sheet is in contact with the first cover, where the second flexible sheet comprises a plurality of folds on itself forming an accordion geometry and defining a plurality of second channels between the folds of the second flexible sheet, such that each second channel is arranged between two portions of the second flexible sheet;
<o>un segundo sustrato lateral dispuesto en correspondencia con el segundo lado del módulo de suelo, donde el segundo sustrato lateral está dispuesto en una dirección transversal a los primeros canales del sustrato principal, donde el segundo sustrato lateral comprende una tercera lámina flexible, donde la tercera lámina flexible está en contacto con la segunda cubierta, donde la tercera lámina flexible comprende una pluralidad de pliegues sobre sí misma formando una geometría de acordeón y definiendo una pluralidad de terceros canales entre los pliegues de la tercera lámina flexible, de manera que cada tercer canal está dispuesto entre dos porciones de la tercera lámina flexible. <o>a second side substrate arranged in correspondence with the second side of the floor module, where the second side substrate is arranged in a direction transverse to the first channels of the main substrate, where the second side substrate comprises a third flexible sheet, where the third flexible sheet is in contact with the second cover, where the third flexible sheet comprises a plurality of folds on itself forming an accordion geometry and defining a plurality of third channels between the folds of the third flexible sheet, such that each third channel is arranged between two portions of the third flexible sheet.
En cada pliegue de cada lámina flexible existe una porción de lámina flexible con una primera superficie de una cara de la lámina flexible orientada hacia un canal, y una segunda superficie de la cara opuesta de la lámina flexible orientada hacia un canal contiguo. In each fold of each flexible sheet there is a portion of flexible sheet with a first surface of one side of the flexible sheet facing a channel, and a second surface of the opposite side of the flexible sheet facing an adjacent channel.
Así pues, sobre la primera superficie y sobre la segunda superficie están dispuestos unos electrodos, donde cada electrodo está formado por una lámina metálica. Thus, electrodes are arranged on the first surface and on the second surface, where each electrode is formed by a metal sheet.
Sobre cada electrodo está dispuesta una capa triboeléctrica (una lámina de material triboeléctrico). A triboelectric layer (a sheet of triboelectric material) is arranged on each electrode.
Entre cada electrodo y la correspondiente capa triboeléctrica dispuesta sobre el electrodo, están dispuestos una pluralidad de hilos conductores con una pluralidad de terminales eléctricos conectados en distintos puntos de la superficie del electrodo. Between each electrode and the corresponding triboelectric layer arranged on the electrode, a plurality of conductive wires are arranged with a plurality of electrical terminals connected at different points on the surface of the electrode.
Los hilos conductores están dispuestos de manera que discurren desde el electrodo correspondiente, a través del espacio existente entre las láminas flexibles, hacia unos colectores de corriente. The conducting wires are arranged so that they run from the corresponding electrode, through the space between the flexible sheets, towards current collectors.
Las capas triboeléctricas situadas en un mismo canal están dispuestas de tal manera que, en correspondencia con una porción de lámina flexible se disponen capas triboeléctricas electropositivas y, en correspondencia con la otra porción de lámina flexible se disponen capas triboeléctricas electronegativas. The triboelectric layers located in the same channel are arranged in such a way that, in correspondence with one portion of the flexible film, electropositive triboelectric layers are arranged and, in correspondence with the other portion of the flexible film, electronegative triboelectric layers are arranged.
Asimismo, en correspondencia con una misma porción de lámina flexible: Likewise, in correspondence with the same portion of flexible sheet:
<o>si las capas triboeléctricas dispuestas por una cara de la lámina flexible y orientadas hacia un canal son capas triboeléctricas electropositivas, las capas triboeléctricas dispuestas por la otra cara de la lámina flexible y orientadas hacia el canal contiguo son también capas triboeléctricas electropositivas, y; <o>if the triboelectric layers arranged on one side of the flexible sheet and facing a channel are electropositive triboelectric layers, the triboelectric layers arranged on the other side of the flexible sheet and facing the adjacent channel are also electropositive triboelectric layers, and;
<o>si las capas triboeléctricas dispuestas por una cara de la lámina flexible y orientadas hacia un canal son capas triboeléctricas electronegativas, las capas triboeléctricas dispuestas por la otra cara de la lámina flexible y orientadas hacia el canal contiguo son también capas triboeléctricas electronegativas. <o>If the triboelectric layers arranged on one side of the flexible film and facing one channel are electronegative triboelectric layers, the triboelectric layers arranged on the other side of the flexible film and facing the adjacent channel are also electronegative triboelectric layers.
Mediante el suelo portátil triboeléctrico que se ha descrito, se permite recoger una mayor cantidad de energía eléctrica a partir de la energía mecánica generada por las pisadas y movimientos sobre el suelo, en comparación con otros suelos triboeléctricos existentes, ya que los diferentes sustratos situados entre las dos cubiertas permiten, por compresión y rozamiento de los pliegues de las láminas flexibles, recoger una gran cantidad de electricidad no disponible en otros modelos convencionales de suelos triboeléctricos. The described portable triboelectric floor allows a greater amount of electrical energy to be collected from the mechanical energy generated by footsteps and movements on the floor, compared to other existing triboelectric floors, since the different substrates located between the two covers allow, through compression and friction of the folds of the flexible sheets, a large amount of electricity to be collected, not available in other conventional models of triboelectric floors.
De manera preferente, en el suelo portátil triboeléctrico objeto de la presente invención: Preferably, in the triboelectric portable floor object of the present invention:
<o>el sustrato principal sobresale de la primera cubierta y de la segunda cubierta una misma distancia desde un tercer lado y desde un cuarto lado del al menos un módulo de suelo; <o>The main substrate protrudes from the first deck and the second deck by the same distance from a third side and from a fourth side of the at least one floor module;
<o>el primer sustrato lateral sobresale de la segunda cubierta desde el primer lado del módulo de suelo, y; <o>the first side substrate protrudes from the second cover from the first side of the floor module, and;
<o>el segundo sustrato lateral sobresale de la primera cubierta (4) desde el segundo lado del módulo de suelo; <o>The second side substrate protrudes from the first cover (4) from the second side of the floor module;
de manera que el al menos un módulo de suelo está configurado para encajar con otros módulos de suelo adyacentes por cualquiera de los lados de los módulos de suelo, encajando los pliegues de las láminas flexibles que sobresalen de un módulo de suelo en los pliegues de las láminas flexibles que sobresalen de uno o más módulos de suelo adyacentes. so that the at least one floor module is configured to fit with other adjacent floor modules on either side of the floor modules, the folds of the flexible sheets protruding from one floor module fitting into the folds of the flexible sheets protruding from one or more adjacent floor modules.
De manera preferente, las láminas flexibles están fabricadas en un material polímero de cristal líquido (LCP). Preferably, the flexible sheets are made of a liquid crystal polymer (LCP) material.
Alternativamente, las láminas flexibles pueden estar fabricadas en poliimida (PI) o en algún otro material. Alternatively, flexible sheets can be made of polyimide (PI) or some other material.
De manera preferente, las capas triboeléctricas electropositivas están fabricadas en un material de caucho de nitrilo (NBR). Preferably, the electropositive triboelectric layers are made of a nitrile rubber (NBR) material.
Asimismo, de manera preferente, las capas triboeléctricas electronegativas están fabricadas en un material de caucho fluoroelastómero (FKM). Furthermore, the electronegative triboelectric layers are preferably made of a fluoroelastomer rubber (FKM) material.
Los electrodos están fabricados preferentemente en aluminio. The electrodes are preferably made of aluminum.
Los hilos conductores están fabricados preferentemente en cobre. The conducting wires are preferably made of copper.
La primera cubierta puede estar fabricada en espuma de caucho natural. The first cover can be made of natural rubber foam.
Las capas triboeléctricas situadas en un mismo canal, junto con los electrodos sobre los cuales están dispuestas dichas capas triboeléctricas constituyen un nanogenerador triboeléctrico (TENG). The triboelectric layers located in the same channel, together with the electrodes on which said triboelectric layers are arranged, constitute a triboelectric nanogenerator (TENG).
Según una posible forma de realización del suelo portátil triboeléctrico, al menos un nanogenerador triboeléctrico (TENG) está conectado a una batería o condensador. La batería o el condensador pueden estar conectados a un dispositivo externo tal como un semáforo o un contador de coches o un contador de personas. According to one possible embodiment of the triboelectric portable floor, at least one triboelectric nanogenerator (TENG) is connected to a battery or capacitor. The battery or capacitor may be connected to an external device such as a traffic light, a vehicle counter, or a people counter.
También según una posible forma de realización del suelo portátil triboeléctrico, al menos un nanogenerador triboeléctrico (TENG) está conectado a un canal de una matriz de canales columna propio de un sistema de adquisición de datos. Also according to a possible embodiment of the triboelectric portable floor, at least one triboelectric nanogenerator (TENG) is connected to a channel of a columnar channel array of a data acquisition system.
Opcionalmente, al menos un nanogenerador triboeléctrico (TENG) está conectado a un emisor inalámbrico de medio o bajo consumo. Optionally, at least one triboelectric nanogenerator (TENG) is connected to a medium or low power wireless transmitter.
Asimismo, opcionalmente, al menos un nanogenerador triboeléctrico (TENG) está conectado a una antena. Also, optionally, at least one triboelectric nanogenerator (TENG) is connected to an antenna.
Mediante el suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, se permite transformar la energía mecánica en energía eléctrica sin necesidad de fuente de alimentación externa. Esta energía mecánica renovable alternativa se produce sobre cada módulo de suelo en forma de pisadas u otros esfuerzos biomecánicos y durante el montaje encajando con otros módulos de suelo iguales y es transformada en energía eléctrica. The triboelectric portable floor, the object of the present invention, allows mechanical energy to be transformed into electrical energy without the need for an external power source. This alternative, renewable mechanical energy is generated on each floor module in the form of footsteps or other biomechanical forces, and during assembly, when fitted with other similar floor modules, and is transformed into electrical energy.
La recolección de energía mecánica que realiza el suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, con un modo dual de funcionamiento de los nanogeneradores triboeléctricos (TENGs) que están dispuestos en el interior de su estructura interna, puede aprovecharse para numerosas aplicaciones (LEDs, sensores, carga de dispositivos electrónicos...) o para el simple hecho de almacenar electricidad. The mechanical energy harvesting carried out by the triboelectric portable floor, object of the present invention, with a dual mode of operation of the triboelectric nanogenerators (TENGs) that are arranged inside its internal structure, can be used for numerous applications (LEDs, sensors, charging electronic devices...) or for the simple fact of storing electricity.
Cada TENG fabricado con FKR y MKL del suelo portátil triboeléctrico genera una carga de valor de 1,4 pC de carga. Pueden llegarse a producir valores de 5000 V en circuito abierto y corrientes de 2 pA en cortocircuito, dando lugar a una densidad de potencia de 1 W/m2 por cada pisada normal producida sobre el suelo portátil triboeléctrico. Each TENG made with FKR and MKL in the triboelectric portable floor generates a charge value of 1.4 pC. This can produce currents of up to 5000 V in an open circuit and currents of 2 pA in a short circuit, resulting in a power density of 1 W/m2 for each normal footfall on the triboelectric portable floor.
Tanto en el modo de montaje como en el modo de funcionamiento (en este último debido a la presión mecánica ejercida por usuarios, vehículos o cualquier objeto pesado en movimiento que ejerce alguna presión sobre el suelo), se genera electricidad y se utiliza como fuente de energía o de detección para diversas aplicaciones (encendido de alumbrado, mensaje de aviso luminoso o de sonido, alarma a distancia, etc.). En el montaje la energía se produce por fricción mientras que en funcionamiento, por contacto por presión compresión / tracción. Todo sin baterías. In both mounting and operating modes (the latter due to mechanical pressure exerted by users, vehicles, or any moving heavy object that exerts pressure on the ground), electricity is generated and used as a power source or for detection in various applications (lighting, light or sound warning messages, remote alarms, etc.). During mounting, power is generated by friction, while in operation, it is generated by contact pressure, compression, or traction. All without batteries.
Mediante la presente invención se mejoran las prestaciones de los suelos basados en el efecto triboeléctrico ya existentes con un novedoso formato de suelo portátil que genera electricidad mediante dos modos de funcionamiento (presión y fricción). The present invention improves the performance of existing floors based on the triboelectric effect with a novel portable floor format that generates electricity through two operating modes (pressure and friction).
Mediante la presente invención, se permite asimismo resolver los inconvenientes referidos a la implantación del suelo en determinados espacios, pudiendo ser instalado el presente suelo portátil triboeléctrico en cualquier tipo de espacio exterior o interior independientemente de las condiciones ambientales. The present invention also allows for the resolution of the problems related to the implementation of the floor in certain spaces, allowing the present triboelectric portable floor to be installed in any type of exterior or interior space regardless of the environmental conditions.
El suelo portátil triboeléctrico está fabricado por placas o módulos de suelo que generan electricidad cuando encajan entre sí y cuando una persona pisa o se mueve sobre ellas, es decir, a partir de energía mecánica de baja frecuencia (de 2 a 5 Hz aproximadamente). Para este fin incorpora en su interior una pluralidad de nanogeneradores triboeléctricos. The triboelectric portable floor is made of floor plates or modules that generate electricity when they fit together and when a person steps or moves on them, that is, using low-frequency mechanical energy (approximately 2 to 5 Hz). For this purpose, it incorporates a plurality of triboelectric nanogenerators.
Las características geométricas de una placa o módulo placa de suelo comprenden varias piezas que se asemejan a una estructura tipo sándwich en la que dos capas de recubrimiento (cubiertas) rodean y protegen a un sustrato flexible ondulado interior en el cual residen los TENGs en forma de tiras de materiales. The geometric features of a floor plate or module comprise several pieces resembling a sandwich structure in which two layers of coating (covers) surround and protect an inner corrugated flexible substrate on which the TENGs reside in the form of strips of materials.
La cubierta inferior (primera cubierta) es preferentemente de lámina plana de caucho o espuma de caucho natural para absorber las vibraciones y fijar bien el suelo portátil triboeléctrico al pavimento previo. La cubierta superior (segunda cubierta) será de una lámina plana de un material a elegir por el cliente o usuario final, según la aplicación a la que sea destinado el suelo portátil triboeléctrico. The bottom layer (first layer) is preferably a flat sheet of rubber or natural rubber foam to absorb vibrations and securely anchor the triboelectric portable floor to the underlying pavement. The top layer (second layer) will be a flat sheet of a material chosen by the client or end user, depending on the intended application of the triboelectric portable floor.
Entre estas cubiertas superior e inferior se halla el sustrato, cuya estructura es en forma de láminas flexibles onduladas con forma de sucesivos muelles ondulados con una pluralidad de canales o cavidades por “muelle” en las que están insertados las capas de los TENGs. El sustrato, con el propósito de aguantar los impactos y cargas sobre el suelo y a su vez deformarse lo suficiente para que las capas triboeléctricas mantengan contacto entre sí, está conformado por un polímero flexible, con alto límite elástico y resistencia a la fatiga, como Kapton® (poliimida, PI) o más preferiblemente polímero de cristal líquido (LCP). Debido a la forma compleja del sustrato y a que presenta sección constante puede ser fabricado mediante inyección o extrusión. Between these upper and lower layers is the substrate, whose structure is in the form of flexible corrugated sheets shaped like successive corrugated springs with a plurality of channels or cavities per "spring" into which the TENG layers are inserted. The substrate, in order to withstand impacts and loads on the ground and at the same time deform sufficiently so that the triboelectric layers maintain contact with each other, is made of a flexible polymer with a high elastic limit and fatigue resistance, such as Kapton® (polyimide, PI) or, more preferably, liquid crystal polymer (LCP). Due to the complex shape of the substrate and its constant cross-section, it can be manufactured by injection or extrusion.
La estructura, que se asemeja a una lámina de sección constante doblada un elevado número de veces sobre sí misma, actúa como un resorte cuando se producen pisadas o esfuerzos en la superficie del suelo, proporcionando la deformación de las ondas de los muelles y el amortiguamiento necesario para que las capas triboeléctricas de los TENGs mantengan contacto entre sí (generando electricidad) y después vuelvan a su estado original de separación. El sustrato principal o medio incluye, según una posible forma de realización, nueve muelles ondulados y medio, puesto que uno de sus lados encajará longitudinalmente con el lado del sustrato de otro módulo de suelo. The structure, which resembles a sheet of constant section folded a large number of times on itself, acts like a spring when footsteps or stresses are applied to the floor surface, providing the spring wave deformation and the damping necessary for the triboelectric layers of the TENGs to maintain contact with each other (generating electricity) and then return to their original separated state. The main or middle substrate includes, according to one possible embodiment, nine and a half wave-like springs, since one of its sides will fit longitudinally with the side of the substrate of another floor module.
En los otros dos lados del módulo de suelo se disponen dos sustratos laterales más estrechos en sentido transversal al sustrato principal, con el fin de que el encaje entre módulos en estos lados se produzca asimismo de manera longitudinal. Esto es, la estructura ondulada del primer sustrato lateral de un módulo encaja con la del segundo sustrato lateral de otro módulo y así sucesivamente. Las cavidades o canales de las ondas de los ‘muelles’ de los bordes del sustrato principal y de los sustratos laterales estrechos de ambos lados contienen nanogeneradores triboeléctricos que funcionan mediante deslizamiento lateral debido a la fricción producida cuando las placas o módulos de suelo encajan entre sí durante el montaje o instalación del suelo. Este hecho no impide que sigan funcionando mediante el modo de movimiento de contacto-separación una vez que las debidas placas o módulos de suelo hayan sido instalados. On the other two sides of the floor module, two narrower side substrates are arranged transversely to the main substrate, so that the modules on these sides also fit together longitudinally. That is, the wave structure of the first side substrate of one module fits with that of the second side substrate of another module, and so on. The cavities or channels of the wave "springs" at the edges of the main substrate and the narrow side substrates on both sides contain triboelectric nanogenerators that operate by lateral sliding due to the friction produced when the floor plates or modules fit together during assembly or installation of the floor. This does not prevent them from continuing to operate in the touch-to-peel motion mode once the corresponding floor plates or modules have been installed.
Por cada cavidad o canal horizontal que presentan los muelles ondulados de los sustratos existe un nanogenerador triboeléctrico (TENG). Cada unidad se compone por las capas triboeléctricas electronegativa y electropositiva y dos electrodos. For each horizontal cavity or channel in the wave-like springs of the substrates, there is a triboelectric nanogenerator (TENG). Each unit consists of the electronegative and electropositive triboelectric layers and two electrodes.
La capa triboeléctrica electropositiva y la capa triboeléctrica electronegativa pueden estar formadas por una lámina de caucho nitrilo-vinilo o NBR y de caucho de fluoroelástomero (FKM o Viton) de fino espesor respectivamente. Otros materiales pueden también unirse como materiales con componentes ignífugos o retardantes de llama al igual que resistentes a la humedad. The electropositive triboelectric layer and the electronegative triboelectric layer can be made of thin sheets of nitrile-vinyl rubber (NBR) and fluoroelastomer rubber (FKM or Viton), respectively. Other materials can also be combined, such as materials with flame-resistant or flame-retardant components as well as moisture-resistant components.
Los electrodos están formados de cinta de aluminio de 0,05 mm, pudiendo ser de otro material conductor como el cobre. Es factible la inclusión de elementos como capas de material de nanoporos, nanoalambres o patrones geométricos superficiales con el fin de aumentar el área de contacto entre las capas triboeléctricas y, por ende, la densidad de carga triboeléctrica y la eficiencia de los nanogeneradores. The electrodes are made of 0.05 mm aluminum tape, or they can be made of other conductive materials such as copper. It is feasible to include elements such as layers of nanoporous material, nanowires, or surface geometric patterns to increase the contact area between the triboelectric layers and, consequently, the triboelectric charge density and efficiency of the nanogenerators.
Las capas triboeléctricas están pegadas a los electrodos, pegados asimismo a las múltiples caras de la estructura ondulada de los muelles, es decir, los electrodos se comportan como una cinta adhesiva de doble cara. Si el suelo no está sometido a ninguna carga o esfuerzo, las capas están separadas entre sí, una en contraposición de la otra, son la capa de FKM y la de NBR. A ambas caras de una misma porción u onda de sustrato se colocan dos tiras del mismo material triboeléctrico para reducir las capacitancias parásitas, a pesar de que en este caso son muy pocas debido a la baja conductividad del LCP (polímero de cristal líquido). La electricidad generada recogida por los electrodos es a su vez recogida por terminales repartidos en un hilo conductor eléctrico de cobre entre la superficie de contacto de los electrodos con el sustrato. Dichos conductores eléctricos (que recogen la corriente de todos los electrodos de cada TENG de cada módulo) están posicionados través de las cavidades verticales entre las láminas flexibles o muelles ondulados del sustrato, para poder conectarse con otros conductores de otras placas o con elementos colectores de electricidad si se tratan de los bordes de los módulos de suelo implantados. The triboelectric layers are bonded to the electrodes, which are also bonded to the multiple faces of the wave-like spring structure; that is, the electrodes behave like double-sided adhesive tape. If the surface is not subjected to any load or stress, the layers are separated from each other, one opposite the other; they are the FKM layer and the NBR layer. Two strips of the same triboelectric material are placed on both sides of the same substrate portion or wave to reduce parasitic capacitances, although in this case they are very few due to the low conductivity of LCP (liquid crystal polymer). The generated electricity collected by the electrodes is in turn collected by terminals distributed on a copper electrically conductive wire between the contact surfaces of the electrodes and the substrate. These electrical conductors (which collect the current from all the electrodes of each TENG in each module) are positioned through the vertical cavities between the flexible sheets or corrugated springs of the substrate, so that they can be connected to other conductors from other plates or to electricity-collecting elements if they are the edges of the implanted floor modules.
Cada módulo de suelo puede presentar un hueco en las esquinas donde pueden reunirse asimismo los conectores eléctricos. Each floor module can have a recess in the corners where the electrical connectors can also be located.
Todas las partes que componen el módulo de suelo (por ejemplo, la parte que protege las capas tribo-eléctricas) están fabricadas de materiales impermeables por lo que su instalación es posible en ambientes húmedos o lluviosos sin que el rendimiento eléctrico del mismo disminuya gracias a la protección del recubrimiento superior. All components of the floor module (for example, the part protecting the triboelectric layers) are made of waterproof materials, so installation is possible in humid or rainy environments without any reduction in electrical performance thanks to the protection of the top coating.
Todos los materiales utilizados en el mismo presentan puntos de fusión altos y temperaturas de transición vítrea bajas en el caso de los polímeros. Todos son ignífugos, excepto el caucho NBR. No obstante, es posible añadir algún aditivo retardante de llama a su composición como hidróxido de aluminio (ATH o Al(OH)3) o retardante de la llama de grafito expandible (EG). Por lo tanto, el suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, puede ser considerado apto para implantar en condiciones ambientales extremas. Las salidas colectoras que recogen la electricidad de los conectores eléctricos también son no inflamables e impermeables. All the materials used in this system have high melting points and low glass transition temperatures in the case of polymers. All are flame-resistant, except for NBR rubber. However, it is possible to add a flame-retardant additive to their composition, such as aluminum hydroxide (ATH or Al(OH)3) or expandable graphite (EG) flame retardant. Therefore, the triboelectric portable floor, the object of the present invention, can be considered suitable for implementation in extreme environmental conditions. The collector outputs that collect electricity from the electrical connectors are also non-flammable and waterproof.
Para propiciar la carga de dispositivos electrónicos o el almacenamiento de la electricidad generada dichos conectores eléctricos confluyen (uniendo los extremos positivos y negativos juntos respectivamente) en dispositivos de carga o baterías que almacenen la energía generada. También en condensadores. To charge electronic devices or store the generated electricity, these electrical connectors connect (by joining the positive and negative ends together, respectively) to charging devices or batteries that store the generated energy. They also connect to capacitors.
El carácter portable del suelo implica que las aplicaciones que surgen con el aprovechamiento de energía generada por el suelo triboeléctrico sean muy variadas y se han propuesto algunas: pista o pavimento para actividades deportivas, cubiertas o suelos de transportes o sus respectivas entradas, obras o emplazamientos de construcción con iluminación o señalización autónoma, eventos multitudinarios (festivales, conciertos, pasarelas de moda...) y lugares de paso como vestíbulos o cualquier sitio donde se formen colas de personas. The portable nature of the floor means that the applications that arise from the use of energy generated by the triboelectric floor are very varied and some have been proposed: track or pavement for sports activities, roofs or floors of transport or their respective entrances, construction sites or construction sites with autonomous lighting or signage, mass events (festivals, concerts, fashion shows...) and passageways such as lobbies or any place where queues of people form.
También, pueden utilizarse arrays o matrices de canales detectores de señales de voltaje discretizando así el suelo, con una granulación equivalente al número de TENGs existente. De esta forma se permite monitorizar la presión ejercida en cada unidad de TENG que conforma el suelo. Dichos arrays pueden estar conectados a emisores locales o inalámbricos como LoRa, que enviarán la monitorización de la señal a centros de control. Alternatively, arrays or matrices of voltage-detecting channels can be used, thus discretizing the soil with a granularity equivalent to the number of TENGs present. This allows monitoring of the pressure exerted on each TENG unit that makes up the soil. These arrays can be connected to local transmitters or wireless transmitters such as LoRa, which will send the monitoring signal to control centers.
Alternativamente, junto a cada colector de corriente, se pueden colocar dispositivos electrónicos. La monitorización de la presión del suelo o de cada uno de los módulos puede utilizarse como sensor de alarma en el caso de que se supere un umbral de peso, de tal forma que un pequeño módulo LoRa avisará a una unidad de control de que se ha superado un peso determinado o cualquier variable a analizar como exceso de velocidad de un coche, número de personas presentes en una zona de acceso limitado, etc. Alternatively, electronic devices can be placed next to each current collector. Monitoring the ground pressure or individual modules can be used as an alarm sensor if a weight threshold is exceeded. A small LoRa module will alert a control unit that a certain weight has been exceeded, or any other variable to be analyzed, such as a vehicle speeding, the number of people present in a restricted area, etc.
Gracias a la posible conexión de las placas o módulos de suelo a una batería u otro dispositivo electrónico para poder almacenar o aplicar la electricidad generada, y a su carácter portable, es posible la implantación del suelo en lugares de gran concurrencia para la recolección de la mayor cantidad de electricidad posible. Cabe destacar una gran variedad de las aplicaciones destinadas al aprovechamiento de energía generada por el suelo triboeléctrico como: pista o pavimento para actividades deportivas, cubiertas o suelos de transportes o sus respectivas entradas, obras o emplazamientos de construcción con iluminación o señalización autónoma, eventos multitudinarios (festivales, conciertos, pasarelas de m oda .) y lugares de paso como vestíbulos o cualquier sitio donde se formen colas de personas. Thanks to the possibility of connecting the floor panels or modules to a battery or other electronic device to store or apply the generated electricity, and to its portable nature, it is possible to implement the floor in places with a large number of people to collect the largest possible amount of electricity. It is worth highlighting a wide variety of applications for harnessing the energy generated by triboelectric floors, such as: tracks or pavements for sports activities, roofs or floors for transportation or their respective entrances, construction sites or construction sites with autonomous lighting or signage, mass events (festivals, concerts, fashion shows, etc.), and passageways such as lobbies or any place where queues of people form.
Además, en comparación con otros suelos triboeléctricos convencionales, que producen electricidad aprovechando las pisadas u otros esfuerzos que siempre se producen sobre el suelo, el presente suelo portátil triboeléctrico presenta un coste reducido. Furthermore, compared to other conventional triboelectric floors, which generate electricity by using footsteps or other forces that constantly occur on the floor, this portable triboelectric floor offers a reduced cost.
Breve descripción de las figuras Brief description of the figures
Se describen aquí de forma breve una serie de figuras, de ejemplos no limitativos, que ayudan a comprender mejor la invención: A series of figures, non-limiting examples, are briefly described here, which help to better understand the invention:
La Figura 1 muestra una vista isométrica de un módulo de suelo, según una posible forma de realización del suelo portátil triboeléctrico objeto de la presente invención. Figure 1 shows an isometric view of a floor module, according to a possible embodiment of the triboelectric portable floor object of the present invention.
La Figura 2 muestra una vista de la planta superior de un módulo de suelo con cortes completos que seccionan el módulo de suelo transversal y longitudinalmente. Figure 2 shows a top plan view of a floor module with full cuts sectioning the floor module transversely and longitudinally.
La Figura 3 muestra una vista explosionada del módulo de suelo dividido en sus partes principales. Figure 3 shows an exploded view of the floor module divided into its main parts.
La Figura 3A muestra una vista de detalle del sustrato para mostrar los TENGs insertados en él. Figure 3A shows a detailed view of the substrate to show the TENGs inserted into it.
La Figura 4 muestra una gráfica que representa la carga transferida en función del tiempo para un TENG con distintas superficies de contacto: a) 0.0075 m2, b) 0.00875 m2 y c) 0.01 m2 (de 20 mm ancho x 500 mm de largo). Figure 4 shows a graph representing the transferred load as a function of time for a TENG with different contact surfaces: a) 0.0075 m2, b) 0.00875 m2 and c) 0.01 m2 (20 mm wide x 500 mm long).
La Figura 5A, la Figura 5B y la Figura 5C muestran unas gráficas que representan, para una resistencia de carga de 1GQ: carga transferida (véase Figura 5A), intensidad de corriente (véase Figura 5B) y voltaje (véase Figura 5C) en función del tiempo para un solo TENG con distintos espesores para la capa triboeléctrica negativa: a) 0,2 mm, b) 0,4 mm y c) 0,6 mm. Figure 5A, Figure 5B and Figure 5C show graphs representing, for a load resistance of 1GQ: transferred charge (see Figure 5A), current intensity (see Figure 5B) and voltage (see Figure 5C) as a function of time for a single TENG with different thicknesses for the negative triboelectric layer: a) 0.2 mm, b) 0.4 mm and c) 0.6 mm.
La Figura 6 muestra una gráfica que representa, para una resistencia de carga de 3GQ: carga transferida, intensidad de corriente y voltaje en función del tiempo para un solo TENG con espesores de la capa electropositiva y electronegativa de 0,2 mm y 0,6 mm y una superficie de contacto de 0.01 m2. Figure 6 shows a graph representing, for a load resistance of 3GQ: transferred charge, current intensity and voltage as a function of time for a single TENG with electropositive and electronegative layer thicknesses of 0.2 mm and 0.6 mm and a contact surface of 0.01 m2.
La Figura 7 muestra una representación del potencial eléctrico para un solo TENG según una superficie de contacto de: a) 0.0075 m2, b) 0.00875 m2 y c) 0.01 m2. Figure 7 shows a representation of the electrical potential for a single TENG according to a contact surface of: a) 0.0075 m2, b) 0.00875 m2 and c) 0.01 m2.
La Figura 8 muestra una gráfica que representa la carga transferida en función de la distancia, para un solo TENG con espesores de la capa electropositiva y electronegativa de 0,2 mm y 0,6 mm y una superficie de contacto de 0.01 m2. Figure 8 shows a graph representing the transferred charge as a function of distance, for a single TENG with electropositive and electronegative layer thicknesses of 0.2 mm and 0.6 mm and a contact surface of 0.01 m2.
La Figura 9 muestra de manera esquemática un sistema de comunicaciones y dispositivos electrónicos conectados a los electrodos de salida de los TENGs del suelo portátil triboeléctrico. Figure 9 shows a schematic representation of a communications system and electronic devices connected to the output electrodes of the triboelectric portable ground TENGs.
La Figura 10 muestra de manera esquemática una posible aplicación del suelo portátil triboeléctrico como pista de baile temporal con luces LEDs autónomas en la cubierta superior. Figure 10 schematically shows a possible application of the triboelectric portable floor as a temporary dance floor with autonomous LED lights on the upper deck.
La Figura 11 muestra de manera esquemática un esquema de segmentación del suelo portátil triboeléctrico en sus respectivos TENGs utilizando un array de detectores, uno para cada par de electrodos de cada TENG. Figure 11 shows a schematic diagram of triboelectric portable soil segmentation in their respective TENGs using an array of detectors, one for each pair of electrodes of each TENG.
La Figura 12 muestra de manera esquemática otro esquema de segmentación del suelo portátil triboeléctrico en sus TENGs utilizando un array de detectores, uno para cada par de electrodos de cada TENG. Figure 12 schematically shows another scheme for segmenting the triboelectric portable ground into its TENGs using an array of detectors, one for each electrode pair of each TENG.
La Figura 13 muestra de manera esquemática un sistema de comunicación remota de las señales asociadas a los TENGs de uno o más módulos de suelo a plataformas IoT (“internet de las cosas"). Figure 13 shows a schematic representation of a remote communication system for signals associated with the TENGs of one or more floor modules to IoT platforms ("Internet of Things").
Descripción detallada Detailed description
La presente invención se refiere, como ya se ha mencionado anteriormente, a un suelo portátil triboeléctrico. The present invention relates, as already mentioned above, to a triboelectric portable floor.
Según una posible forma de realización del suelo portátil triboeléctrico, objeto de la presente invención, el suelo portátil triboeléctrico comprende una pluralidad de módulos de suelo (100). According to a possible embodiment of the triboelectric portable floor, object of the present invention, the triboelectric portable floor comprises a plurality of floor modules (100).
Los módulos de suelo (100) están configurados para conectarse o ensamblarse entre sí, formando un suelo que puede instalarse sobre una determinada superficie, como un salón, una habitación, un pasillo o un vestíbulo. The floor modules (100) are configured to be connected or assembled together, forming a floor that can be installed on a certain surface, such as a living room, a bedroom, a hallway or a lobby.
Cada módulo de suelo (100) comprende un conjunto de piezas principales conectadas entre sí, de manera que el módulo de suelo (100) permite la producción de energía eléctrica a partir de la energía mecánica. Each floor module (100) comprises a set of main parts connected to each other, so that the floor module (100) allows the production of electrical energy from mechanical energy.
Así pues, según una posible forma de realización de la invención, cada módulo de suelo (100) comprende: Thus, according to a possible embodiment of the invention, each floor module (100) comprises:
- dos cubiertas (4, 5) configuradas para recubrir unos elementos internos que constituyen un sustrato del módulo de suelo (100). - two covers (4, 5) configured to cover internal elements that constitute a substrate of the floor module (100).
Así pues, una primera cubierta (4) (o cubierta inferior) está configurada para permitir la fijación del módulo de suelo (100) a una superficie o suelo donde se vaya a instalar el suelo portátil triboeléctrico. Esta primera cubierta (4) se encarga del amortiguamiento de las vibraciones que se producen sobre el módulo de suelo (100) y se fabrica de espuma de caucho natural. Thus, a first cover (4) (or lower cover) is configured to allow the fixing of the floor module (100) to a surface or floor where the triboelectric portable floor is to be installed. This first cover (4) is responsible for damping the vibrations that occur on the floor module (100) and is made of natural rubber foam.
La segunda cubierta (5) (o cubierta superior) está configurada para servir de recubrimiento de la parte superior del sustrato y es el lugar donde por donde las personas van a transitar. Esta segunda cubierta (5) está fabricada del material que se requiera según la aplicación a la que esté destinado el suelo portátil. The second deck (5) (or top deck) is configured to cover the top of the substrate and is the place where people will walk. This second deck (5) is made of the material required according to the application for which the portable floor is intended.
- El sustrato entre las dos cubiertas (4, 5) está dividido en tres partes: el sustrato principal (1) (o sustrato medio) y los sustratos laterales (2, 3) del módulo de suelo (100). - The substrate between the two decks (4, 5) is divided into three parts: the main substrate (1) (or middle substrate) and the side substrates (2, 3) of the floor module (100).
El sustrato principal (1) comprende una pluralidad de paños o primeras láminas flexibles (1a) dispuestas paralelamente entre sí, donde cada primera lámina flexible (1a) está dispuesta según una pluralidad de pliegues (o repliegues) sobre sí misma, a modo de acordeón o zigzag, y formando una pluralidad de primeros canales (1b) entre los pliegues de cada primera lámina flexible (1 a). Cada primera lámina flexible (1 a) se asemeja de este modo a un muelle conectado a la primera cubierta (4) y a la segunda cubierta (5). The main substrate (1) comprises a plurality of sheets or first flexible sheets (1a) arranged parallel to each other, where each first flexible sheet (1a) is arranged according to a plurality of folds (or folds) on itself, in the manner of an accordion or zigzag, and forming a plurality of first channels (1b) between the folds of each first flexible sheet (1a). Each first flexible sheet (1a) thus resembles a spring connected to the first cover (4) and to the second cover (5).
Los primeros canales (1b) formados por los pliegues de cada primera lámina flexible (1 a) del sustrato principal (1) se dirigen desde un primer lado del módulo de suelo (100) hacia un segundo lado del módulo de suelo (100). The first channels (1b) formed by the folds of each first flexible sheet (1a) of the main substrate (1) are directed from a first side of the floor module (100) towards a second side of the floor module (100).
El sustrato principal (1) se encuentra dispuesto entre la primera cubierta (4) y la segunda cubierta (5), y está pegado o adherido a la primera cubierta (4) y a la segunda cubierta (5). The main substrate (1) is arranged between the first cover (4) and the second cover (5), and is glued or adhered to the first cover (4) and the second cover (5).
Un primer sustrato lateral (2) está dispuesto paralelamente al primer lado del módulo de suelo (100), de manera transversal a los primeros canales (1b) formados por los pliegues de cada primera lámina flexible (1a) del sustrato principal (1). A first side substrate (2) is arranged parallel to the first side of the floor module (100), transversely to the first channels (1b) formed by the folds of each first flexible sheet (1a) of the main substrate (1).
Análogamente al sustrato principal (1), el primer sustrato lateral (2) comprende un paño o segunda lámina flexible (2a) dispuesta según una pluralidad de pliegues (o repliegues) sobre sí misma, a modo de acordeón o zigzag, y formando una pluralidad de segundos canales (2b) entre los pliegues de la segunda lámina flexible (2a). Estos segundos canales (2b) son perpendiculares a los primeros canales (1b). Similarly to the main substrate (1), the first side substrate (2) comprises a flexible sheet or second sheet (2a) arranged in a plurality of folds (or creases) on itself, in the manner of an accordion or zigzag, and forming a plurality of second channels (2b) between the folds of the second flexible sheet (2a). These second channels (2b) are perpendicular to the first channels (1b).
El primer sustrato lateral (2) se encuentra pegado o adherido a la segunda cubierta (5) (o cubierta superior). The first side substrate (2) is glued or adhered to the second cover (5) (or top cover).
Un segundo sustrato lateral (3) está dispuesto paralelamente al segundo lado del módulo de suelo (100), de manera transversal a los primeros canales (1b) formados por los pliegues de cada primera lámina flexible (1 a) del sustrato principal (1). A second side substrate (3) is arranged parallel to the second side of the floor module (100), transversely to the first channels (1b) formed by the folds of each first flexible sheet (1 a) of the main substrate (1).
Análogamente al sustrato principal (1), el segundo sustrato lateral (3) comprende un paño o tercera lámina flexible (3a) dispuesta según una pluralidad de pliegues (o repliegues) sobre sí misma, a modo de acordeón o zigzag, y formando una pluralidad de terceros canales (3b) entre los pliegues de la tercera lámina flexible (3a). Estos terceros canales (3b) son perpendiculares a los primeros canales (1b). Similarly to the main substrate (1), the second side substrate (3) comprises a flexible sheet or third sheet (3a) arranged in a plurality of folds (or creases) on itself, in the manner of an accordion or zigzag, and forming a plurality of third channels (3b) between the folds of the third flexible sheet (3a). These third channels (3b) are perpendicular to the first channels (1b).
El segundo sustrato lateral (3) se encuentra pegado o adherido a la primera cubierta (4) (o cubierta inferior). The second side substrate (3) is glued or adhered to the first cover (4) (or bottom cover).
Mediante la estructura descrita para los sustratos (1,2, 3), el interior del módulo de suelo (100) forma una estructura tipo sándwich, con el sustrato principal (1) dispuesto entre la segunda cubierta (5) (o cubierta superior), el primer sustrato lateral (2), el segundo sustrato lateral (3) y la primera cubierta (4) (o cubierta inferior), como queda reflejado en la Figura 1. By means of the structure described for the substrates (1,2,3), the interior of the floor module (100) forms a sandwich-type structure, with the main substrate (1) arranged between the second cover (5) (or upper cover), the first side substrate (2), the second side substrate (3) and the first cover (4) (or lower cover), as shown in Figure 1.
Tanto el sustrato principal (1) como el primer sustrato lateral (2) y el segundo sustrato lateral (3) están formados por láminas de material flexible, siendo dicho material flexible un polímero flexible, con alto límite elástico y resistencia a la fatiga, como Kapton® (poliimida, PI) o más preferiblemente un polímero de cristal líquido (LCP). Both the main substrate (1) and the first side substrate (2) and the second side substrate (3) are formed by sheets of flexible material, said flexible material being a flexible polymer, with high elastic limit and fatigue resistance, such as Kapton® (polyimide, PI) or more preferably a liquid crystal polymer (LCP).
Los módulos de suelo (100) encajan entre sí, dos a dos, gracias a la estructura ondulada con forma de muelles que presentan los sustratos (1, 2, 3), la cual también da cabida a los nanogeneradores triboeléctricos y acciona su funcionamiento. The floor modules (100) fit together, two by two, thanks to the wavy, spring-shaped structure of the substrates (1, 2, 3), which also accommodates the triboelectric nanogenerators and drives their operation.
Como se puede observar en el corte A-A de la Figura 2, el sustrato principal (1) sobresale de la primera cubierta (4) (o cubierta inferior) y de la segunda cubierta (5) (o cubierta superior), respectivamente desde un tercer lado y desde un cuarto lado del módulo de suelo (100), la misma distancia a cada lado, para dejar el hueco justo para que estas partes salientes del sustrato principal (1) de dos módulos de suelo (100) que se pretenden instalar de manera adyacente encajen longitudinalmente entre sí. As can be seen in section A-A of Figure 2, the main substrate (1) protrudes from the first cover (4) (or lower cover) and from the second cover (5) (or upper cover), respectively from a third side and from a fourth side of the floor module (100), the same distance on each side, to leave just enough space for these protruding parts of the main substrate (1) of two floor modules (100) that are intended to be installed adjacently to fit longitudinally with each other.
Análogamente, el primer sustrato lateral (2) y el segundo sustrato lateral (3) también sobresalen, respectivamente, del primer lado y del segundo lado del módulo de suelo (100), de manera que los sustratos laterales (2, 3) de dos módulos de suelo (100) que se pretenden instalar de manera adyacente encajan longitudinalmente entre sí. Similarly, the first side substrate (2) and the second side substrate (3) also protrude, respectively, from the first side and the second side of the floor module (100), so that the side substrates (2, 3) of two floor modules (100) that are intended to be installed adjacently fit longitudinally with each other.
En este caso, el primer sustrato lateral (2) del primer lado de un primer módulo de suelo (100), adherido a la segunda cubierta (5) (o cubierta superior) de dicho primer módulo de suelo (100), encaja con el segundo sustrato lateral (3) del segundo lado de un segundo módulo de suelo (100) adyacente, adherido a la primera cubierta (4) (o cubierta inferior) de dicho segundo módulo de suelo (100). En los extremos del corte B-B (ver Figura 2) se aprecia muy bien cómo encajan los sustratos de los lados pegados respectivamente a las cubiertas superior e inferior. In this case, the first side substrate (2) of the first side of a first floor module (100), adhered to the second cover (5) (or upper cover) of said first floor module (100), fits with the second side substrate (3) of the second side of an adjacent second floor module (100), adhered to the first cover (4) (or lower cover) of said second floor module (100). At the ends of the section B-B (see Figure 2) it can be clearly seen how the side substrates glued respectively to the upper and lower covers fit together.
En cada pliegue de cada primera lámina flexible (1a) del sustrato principal (1) y en cada pliegue de la segunda lámina flexible (2a) del primer sustrato lateral (2) y cada pliegue de la tercera lámina flexible (3a) del segundo sustrato lateral (3), existe una porción de lámina con una primera superficie de una cara de la lámina orientada hacia un canal, y una segunda superficie de la cara opuesta de la lámina orientada hacia un canal adyacente o contiguo. In each fold of each first flexible sheet (1a) of the main substrate (1) and in each fold of the second flexible sheet (2a) of the first side substrate (2) and each fold of the third flexible sheet (3a) of the second side substrate (3), there is a sheet portion with a first surface of one side of the sheet facing a channel, and a second surface of the opposite side of the sheet facing an adjacent or contiguous channel.
Sobre la primera superficie y sobre la segunda superficie se disponen unos electrodos (8), formados por unas láminas metálicas. Sobre cada electrodo (8), se disponen respectivas capas triboeléctricas (6, 7) (capas de material triboeléctrico). Entre cada electrodo (8) y cada capa triboeléctric (6, 7) se disponen hilos de material conductor eléctrico (por ejemplo cobre) con terminales eléctricos de conexión a los respectivos electrodos (8), repartidos por la superficie de los electrodos (8). Los hilos de material conductor están configurados para recoger la corriente eléctrica generada por las pisadas y el rozamiento de las capas triboeléctricas (6, 7), y conducir dicha corriente hacia unos colectores. Los hilos de cobre discurren por los espacios huecos existentes entre las primeras láminas flexibles (1a) del sustrato principal (1), o por los espacios huecos existentes entre el primer sustrato lateral (2) y el sustrato principal (1) o entre el segundo sustrato lateral (3) y el sustrato principal (1). Electrodes (8), formed by metal sheets, are arranged on the first surface and on the second surface. On each electrode (8), respective triboelectric layers (6, 7) are arranged (layers of triboelectric material). Between each electrode (8) and each triboelectric layer (6, 7), wires of electrically conductive material (for example copper) are arranged with electrical terminals for connection to the respective electrodes (8), distributed over the surface of the electrodes (8). The wires of conductive material are configured to collect the electric current generated by footsteps and friction of the triboelectric layers (6, 7), and conduct said current towards collectors. The copper wires run through the hollow spaces between the first flexible sheets (1a) of the main substrate (1), or through the hollow spaces between the first lateral substrate (2) and the main substrate (1) or between the second lateral substrate (3) and the main substrate (1).
Según una forma de realización particular, en cada canal (1b, 2b, 3b) de cada sustrato (1,2, 3) (en cada cavidad de las ‘ondas’ de los ‘muelles’ del sustrato) se insertan un total de 209 nanogeneradores triboeléctricos (TENGs). According to a particular embodiment, a total of 209 triboelectric nanogenerators (TENGs) are inserted into each channel (1b, 2b, 3b) of each substrate (1,2, 3) (in each cavity of the 'waves' of the 'springs' of the substrate).
Cada nanogenerador triboeléctrico (TENG) está formado por tres partes: la capa triboléctrica electropositiva (6), la capa triboeléctrica electronegativa (7) y los electrodos (8). Each triboelectric nanogenerator (TENG) consists of three parts: the electropositive triboelectric layer (6), the electronegative triboelectric layer (7), and the electrodes (8).
190 TENGs están colocados en el sustrato principal (1) y los 19 restantes están repartidos entre los sustratos laterales (2, 3). Su disposición se muestra en la vista de detalle de la Figura 3A. 190 TENGs are placed on the main substrate (1) and the remaining 19 are distributed among the side substrates (2, 3). Their arrangement is shown in the detail view of Figure 3A.
Desde la cara interior de la segunda superficie (5) (o superficie superior) del sustrato principal (1) y de los sustratos laterales (2, 3) del módulo de suelo (100) hasta la cara interior de la primera superficie (4) (o superficie inferior) se introducen las finas láminas de material que conforman los TENGs en todos los canales (1b, 2b, 3b) de las láminas flexibles (1a, 2a, 3a) (en todos los “pisos” de los “muelles” de los sustratos internos del módulo de suelo (100)). From the inner face of the second surface (5) (or upper surface) of the main substrate (1) and of the side substrates (2, 3) of the floor module (100) to the inner face of the first surface (4) (or lower surface), the thin sheets of material that make up the TENGs are introduced into all the channels (1b, 2b, 3b) of the flexible sheets (1a, 2a, 3a) (on all the “floors” of the “springs” of the internal substrates of the floor module (100)).
En primer lugar, se introducen los electrodos (8), formados hojas de aluminio de 0,05 mm de espesor, 20 mm de ancho y 555 de largo. Sobre los mismos, se colocan las capas triboeléctricas (6, 7), no sin antes introducir entre las capas triboeléctricas (6, 7) y los electrodos (8), unos cables de hilos de cobre (conectores eléctricos) con sus terminales repartidos por toda la superficie para recoger la electricidad. Dichos conectores eléctricos discurren por los huecos verticales entre “muelle” y “muelle” (entre las distintas láminas flexibles). First, the electrodes (8) are introduced, formed by sheets of aluminium 0.05 mm thick, 20 mm wide and 555 mm long. On them, the triboelectric layers (6, 7) are placed, but not before introducing between the triboelectric layers (6, 7) and the electrodes (8), some copper wire cables (electrical connectors) with their terminals distributed over the entire surface to collect the electricity. These electrical connectors run through the vertical gaps between "spring" and "spring" (between the different flexible sheets).
Las capas triboeléctricas (6, 7) colocadas en ambas caras de una de las ondas del muelle son preferentemente del mismo material para minimizar las capacitancias parásitas. De este modo, sobre los electrodos (8) de aluminio se disponen parejas alternadas de TENGs, una de ellas con la capa triboeléctrica electronegativa (7) arriba y la capa triboeléctrica electropositiva (6) abajo y la otra, viceversa. The triboelectric layers (6, 7) placed on both sides of one of the spring waves are preferably made of the same material to minimize parasitic capacitances. Thus, alternating pairs of TENGs are arranged on the aluminum electrodes (8), one with the electronegative triboelectric layer (7) on top and the electropositive triboelectric layer (6) below, and the other vice versa.
La capa triboeléctrica electronegativa (7) es de hoja de caucho fluoroelastómero (FKM o Viton) de 0,6 mm y la capa triboeléctrica electropositiva (6) de lámina de caucho de nitrilo (NBR-Vinilo o NBR en su defecto) de 0,2 mm. Estas láminas de material cuando mantienen contacto debido al aplastamiento que sufre el sustrato (1,2, 3) cuando el suelo es pisado o cuando se friccionan entre sí cuando encajan los bordes de las placas de suelo (los bordes o lados de los módulos de suelo (100)) durante el montaje son sometidas al efecto triboeléctrico, produciendo de este modo señales eléctricas. The electronegative triboelectric layer (7) is made of 0.6 mm fluoroelastomer rubber sheet (FKM or Viton) and the electropositive triboelectric layer (6) is made of 0.2 mm nitrile rubber sheet (NBR-Vinyl or NBR by default). These sheets of material when they maintain contact due to the crushing suffered by the substrate (1,2, 3) when the floor is stepped on or when they rub against each other when the edges of the floor plates (the edges or sides of the floor modules (100)) fit together during assembly are subjected to the triboelectric effect, thus producing electrical signals.
La Figura 4 y la Figura 5 muestran los resultados de la producción eléctrica llevadas para una resistencia de carga de 1 GQ. La Figura 4 muestra cómo la carga transferida aumenta con la superficie de contacto: a) 0.0075 m2 b) 0.00875 m2 y c) 0.01 m2. Figure 4 and Figure 5 show the electrical production results carried out for a load resistance of 1 GQ. Figure 4 shows how the transferred charge increases with the contact surface: a) 0.0075 m2 b) 0.00875 m2 and c) 0.01 m2.
En lo referido a la Figura 5, los valores de salida de carga (véase Figura 5A), de intensidad de corriente (véase Figura 5B), de voltaje (véase Figura 5C) para un solo TENG con superficie de contacto de 0.01 m2 (de 20 x 500 mm) aumentan con el espesor de la capa triboeléctrica negativa: a) 0,2 mm, b) 0,4 mm, c) 0,6 mm. El primer pico de voltaje y corriente que no se ha tenido en cuenta, podría servir para cargar un condensador de corriente continua dado que los de este tipo cargan más rápido. Referring to Figure 5, the charge output values (see Figure 5A), current intensity (see Figure 5B), voltage (see Figure 5C) for a single TENG with a contact surface of 0.01 m2 (20 x 500 mm) increase with the thickness of the negative triboelectric layer: a) 0.2 mm, b) 0.4 mm, c) 0.6 mm. The first voltage and current peak, which has not been taken into account, could be used to charge a direct current capacitor since these types charge faster.
Los valores finales de a) carga, b) intensidad de corriente y c) voltaje, para una resistencia óptima de 3 GQ, se muestran en la Figura 6. The final values of a) load, b) current intensity and c) voltage, for an optimal resistance of 3 GQ, are shown in Figure 6.
La carga transferida con un TENG de 20 mm x 500 mm, es decir, 0.01 m2 de superficie de contacto, mostrada en la Figura 8, coincide asimismo con la anterior simulación. The load transferred with a 20 mm x 500 mm TENG, i.e., 0.01 m2 of contact surface, shown in Figure 8, also coincides with the previous simulation.
La Figura 9 es un diagrama que ilustra los componentes de gestión de la energía eléctrica a partir de la energía mecánica recolectada por los nanogeneradores triboeléctricos que incluye el suelo portátil triboeléctrico objeto de la presente invención. Figure 9 is a diagram illustrating the components for managing electrical energy from the mechanical energy collected by the triboelectric nanogenerators included in the triboelectric portable floor object of the present invention.
En este caso el suelo portátil triboeléctrico está segmentado y cada unidad independiente de TENG general una señal que es recibida por un sistema de adquisición que relaciona el voltaje o tensión de cada canal con el sensor TENG corrspondiente. El diagrama está compuesto por una unidad de nanogenerador triboeléctrico (TENG) (9), una batería (10) o condensador (11) que se cargan para luego descargarse en la resistencia de carga, pudiendo ser ésta un semáforo (12) o un contador de coches o personas (13). En el caso del semáforo (12), la energía puede recogerse para luego liberarse y anunciar un mensaje de alarma de que no se puede pasar pues el suelo portátil triboeléctrico se está montando (generación por fricción). También, en el modo de funcionamiento en que ya está montado el suelo portátil triboeléctrico, se generará más energía de forma puntual cuando haya presión por alguna zona del suelo. La energía de cada TENG o la recogida por los colectores de todos los TENGs, puede utilizarse como señal inalámbrica de alarma de tal forma que un emisor inalámbrico de medio o bajo consumo (LoRa) (14) recibirá estas señales y en función de la aplicación, si la señal excede cierto umbral, mandará un mensaje de aviso a larga distancia (i.e. 20 km) en zonas interurbanas que serán recibidas por un receptor o RAK (15) que, conectado en local o en remoto por Wi-Fi, mandará la señal a plataformas IoT que pueden verse en un dispositivo con internet (16), situadas en centros de control o casas (17). El TENG unidad se puede corresponder con el analizado en las Figuras 4 a 8 que presenta una mayor salida eléctrica (20 mm de ancho y 0,6 mm de espesor para la capa triboeléctrica electronegativa de FKM). In this case, the triboelectric portable floor is segmented and each independent TENG unit generates a signal that is received by an acquisition system that relates the voltage or strain of each channel with the corresponding TENG sensor. The diagram is composed of a triboelectric nanogenerator (TENG) unit (9), a battery (10) or capacitor (11) that are charged and then discharged in the load resistor, which may be a traffic light (12) or a car or people counter (13). In the case of the traffic light (12), the energy can be collected and then released and announce an alarm message that it is not possible to pass because the triboelectric portable floor is being assembled (friction generation). Also, in the operating mode in which the triboelectric portable floor is already assembled, more energy will be generated punctually when there is pressure on some area of the floor. The energy of each TENG or the energy collected by the collectors of all the TENGs can be used as a wireless alarm signal in such a way that a medium or low consumption wireless transmitter (LoRa) (14) will receive these signals and depending on the application, if the signal exceeds a certain threshold, it will send a long-distance warning message (i.e. 20 km) in interurban areas that will be received by a receiver or RAK (15) that, connected locally or remotely via Wi-Fi, will send the signal to IoT platforms that can be seen on a device with internet (16), located in control centers or homes (17). The unit TENG can correspond to the one analyzed in Figures 4 to 8, which has a higher electrical output (20 mm wide and 0.6 mm thick for the electronegative FKM triboelectric layer).
La Figura 10 muestra de manera esquemática una aplicación del suelo portátil triboeléctrico instalado como pista de baile temporal. Los esfuerzos que se producen en la superficie de las placas del suelo portátil posibilitan que el suelo portátil triboeléctrico convierta dicha energía mecánica en energía eléctrica utilizada para encender de manera autónoma luces LEDs en la superficie del suelo portátil triboeléctrico que se encuentra a la vista. Figure 10 schematically shows an application of the triboelectric portable floor installed as a temporary dance floor. The stresses generated on the surface of the portable floor panels enable the triboelectric portable floor to convert this mechanical energy into electrical energy, which is used to autonomously power LED lights on the exposed surface of the triboelectric portable floor.
Un circuito de gestión de energía puede transformar el voltaje alterno de corriente alterna (AC) propio de pulsos mecánicos intermitentes a voltaje de corriente continua (CC) para usarlo en la carga de la batería (10) o en cualquier circuito que necesite corriente continua CC. Igualmente, los TENGs que incorpora el suelo portátil triboeléctrico, pueden segmentarse (tal y como muestran la Figura 11 y la Figura 12), conectándose cada uno a un canal de una matriz de canales columna (18) propio de un sistema de adquisición (DAQ). Esta matriz de canales global (19) determinará qué zonas del suelo experimentan compresión y tracción en función del canal activado en la unidad de procesamiento. Los canales recibirán señal (un “1” lógico) cuando los TENGs estén comprimidos (21) y no darán señal (darán un “0” lógico) cuando estén liberados (20). A power management circuit can transform the alternating current (AC) voltage from intermittent mechanical pulses to direct current (DC) voltage for use in charging the battery (10) or in any circuit that requires DC current. Likewise, the TENGs incorporated in the triboelectric portable floor can be segmented (as shown in Figure 11 and Figure 12), each one connecting to a channel of a columnar channel array (18) of a data acquisition (DAQ) system. This global channel array (19) will determine which areas of the floor experience compression and traction depending on the channel activated in the processing unit. The channels will receive a signal (a logic “1”) when the TENGs are compressed (21) and will not give a signal (they will give a logic “0”) when they are released (20).
Además, a través de la matriz de señales (19), podemos estudiar su evolución en el tiempo y de esta forma calcular la velocidad del objeto que realiza la presión. Cada columna de TENGs puede sumar la energía de las mismas y dar lugar a un valor que se comparará con el resto de columnas. En el caso de que cada TENGs (9) tenga asociado un canal de medida, la matriz de canales tendrá un número de los mismos más numeroso. Furthermore, through the signal matrix (19), we can study their evolution over time and thus calculate the speed of the object applying pressure. Each column of TENGs can add up their energy and produce a value that will be compared with the rest of the columns. In the case that each TENG (9) has an associated measurement channel, the channel matrix will have a larger number of them.
Por otro lado, tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 13, en el caso de que se genere una gran cantidad de energía debido a una masa grande que comprime los TENGs (9) de uno o muchos módulos del suelo (100), se producirá una señal electromagnética (radio) (24) que será transmitida a través de una antena (23) y que será recibida por un módulo por su antena (25) situado a unos pocos metros de distancia respecto al emisor y que mandará una señal inalámbrica o local, en función de cómo esté instalado y programado dicho emisor que hará a su a vez de receptor (14). En el caso de que sea por comunicación remota, los mensajes o señales podrán enviarse a plataformas loT (17). On the other hand, as shown schematically in Figure 13, in the event that a large amount of energy is generated due to a large mass that compresses the TENGs (9) of one or many floor modules (100), an electromagnetic signal (radio) (24) will be produced that will be transmitted through an antenna (23) and that will be received by a module through its antenna (25) located a few meters away from the transmitter and that will send a wireless or local signal, depending on how said transmitter is installed and programmed, which will also act as a receiver (14). In the case that it is by remote communication, the messages or signals can be sent to IoT platforms (17).
A continuación se enumeran distintos elementos representados en las Figuras: Below are listed different elements represented in the Figures:
1. Sustrato principal 1. Main substrate
1a. Primera lámina flexible 1st. First flexible sheet
1b. Primer canal 1b. First channel
2. Primer sustrato lateral 2. First lateral substrate
2a. Segunda lámina flexible 2a. Second flexible sheet
2b. Segundo canal 2b. Second channel
3. Segundo sustrato lateral 3. Second lateral substrate
3a. Tercera lámina flexible 3a. Third flexible sheet
3b. Tercer canal 3b. Third channel
4. Primera cubierta (cubierta inferior) 4. First deck (lower deck)
5. Segunda cubierta (cubierta superior) 5. Second deck (upper deck)
6. Capa triboeléctrica electropositiva (+) 6. Electropositive triboelectric layer (+)
7. Capa triboeléctrica electronegativa (-) 7. Electronegative triboelectric layer (-)
8. Electrodos 8. Electrodes
9. TENG unidad 9. TENG unit
10. Batería 10. Battery
11. Condensador 11. Condenser
12. Semáforo 12. Traffic light
13. Contador digital 13. Digital counter
14. Emisor inalámbrico (LoRa) 14. Wireless transmitter (LoRa)
15. Receptor inalámbrico (RAK) 15. Wireless Receiver (RAK)
16. Dispositivo con internet, plataforma IoT 16. Internet-enabled device, IoT platform
17. Centro de control, oficinas o casa de operarios con IoT 17. Control center, offices or workers' home with IoT
18. Matriz de canales columna 18. Column channel matrix
19. Matriz de canales global 19. Global Channel Matrix
20. Suelo sin comprimir 20. Uncompressed soil
21. Suelo comprimido 21. Compressed soil
22. Conexiones de cada TENG a la matriz de canales para el cálculo de velocidad. 22. Connections of each TENG to the channel array for speed calculation.
23. Antena que sale de las capas conductoras o electrodos de las canaletas o módulos del suelo 23. Antenna emerging from the conductive layers or electrodes of the gutters or floor modules
24. Perturbación electromagnética en el espacio producida por la compresión/liberación de carga 24. Electromagnetic disturbance in space produced by the compression/release of charge
25. Antena receptora que recoge la señal de perturbación electromagnética por la gran variación de carga que sufre el suelo en un área muy grande y que actúa mandando una señal inalámbrica en función del umbral programado en el receptor (que hace de emisor a la vez) y que está asociado a la carga recibida por el suelo. 25. Receiving antenna that collects the electromagnetic disturbance signal due to the large variation in load suffered by the ground in a very large area and that acts by sending a wireless signal based on the threshold programmed in the receiver (which acts as a transmitter at the same time) and that is associated with the charge received by the ground.
100. Módulo de suelo 100. Soil module
Claims (13)
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Family Applications (1)
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